KR100458663B1 - 마모 및 부식하기 쉬운 기계 부품의 표면 처리 방법 - Google Patents

Abstract

기계 부품에 마모 및 부식에 대한 높은 저항성 그리고 윤활하기에 좋은 거칠기를 부여하는, 상기 부품의 질화에 연속해서 상기 부품의 산화가 이어지는 기계 부품의 표면 처리 방법으로서, 상기 질화는 대략 500℃ 내지 대략 700℃의 온도에서 황 함유 종이 없는 용융 염 질화욕에 상기 부품을 침지함으로써 실시하는 것과, 상기 산화는 대략 200℃ 미만의 온도에서 산화 수용액에서 실시하는 것을 특징으로 한다.

Description

마모 및 부식하기 쉬운 기계 부품의 표면 처리 방법{A SURFACE TREATMENT PROCESS FOR MECHANICAL PARTS SUBJECT TO WEAR AND CORROSION}

본 발명은 마모 및 부식하기 쉬운 기계 부품의 표면 처리 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 마모 및 부식에 대한 높은 저항성 그리고 윤활하기에 좋은 거칠기를 기계 부품에 부여하는, 마모 및 부식하기 쉬운 기계 부품의 표면 처리 방법에 관한 것이다. 더욱 엄밀히 말하면, 본 발명은 윤활이 정밀하게 조절되어야 하고, 그 결과로서 거칠기가 좁은 범위내에서 조절되어야 하는 기계 부품의 표면 처리 방법에 관한 것이다.

당업계에 잘 알려진 바와 같이, 부품의 표면상의 유막의 두께는 그것의 표면의 거칠기에 크게 의존한다. 즉, 완전히 연마된 부품은 오일에 의해서 젖지 않을 것이나, 반면에 역으로, 매우 거친 부품은 두께가 미세릴리프의 높이 보다 작은 막으로 덮이게 되어 결합의 위험성이 높아질 것이다.

본 발명에 따라서 유리하게 처리될 수 있는 부품은 예를 들어, 피스톤 로드 및 내연 기관 벨브를 포함한다. 피스톤 로드에 관해서는, 그의 표면상의 유막의 두께는 완전히 제어되어야 하며; 만일 그것이 너무 얇다면, 로드-시일 접촉은 더이상윤활되지 않으며 마모가 일어나고; 만일 그것이 너무 두껍다면, 결과되는 윤활제의 누출이 성능을 저하시킨다.

내연 기관 벨브에 관해서는, 유막은 밸브 스템과 밸브 가이드 사이의 접촉면에서 윤활 및 동적 시일링 기능을 수행하며; 너무 고도로 연마된 부품은 얇은 유막을 생성할 것이고, 윤활은 램덤하게 될 것이며, 반면에 높은 거칠기는 높은 오일 소모와 기관 효율의 손실을 가져올 것이다.

마모 및 부식에 견뎌야만 하는 부재를 겉에 댈 때, 당업자에게 많은 해결책이 있을 것이다. 따라서, 미세균열을 가진 "경질 크롬"의 두꺼운 피복을 사용하는 것이 표준 관례이다. 그러나, 이들 피복은 결점을 가지고 있다. 기술적 관점에서, 강과 크롬사이의 계면의 존재는 의도된 기능에서 극적인 스케일링을 일으킬 수 있고; 더우기, 어떤 피스톤-및-실린더 장치와 같은 간헐적으로 작동하는 부품의 경우에, 혹독한 날씨에 의한 잔류 윤활제 막의 제거와 그로 인한 부식의 위험이 있다. 경제적 관점에서는, 상기 방법은 금속 피복과 이어서 그것을 고가의 해결책이 되게하는 머시닝을 필요로 한다. 마지막으로, 환경적 관점에서는, 크롬 도금은 주 오염물질인 크롬 Ⅵ을 함유하는 욕을 사용하여 아주 널리 실시되고 있다.

널리 사용되는 또 다른 해결책은 부품을 질화하고 그다음 그것을 산화하는 데 있고; 이들 두 조작은 종종 내식성을 더욱 향상시키는 제품으로 표면 구멍을 함침시키는 단계로 이어진다. 예컨대 프랑스 특허 FR-A-2 672 059 또는 FR-A-2 679 258에 개시된 바와 같이 염욕에서, 아니면 예컨대 유럽 특허 0217420에서 개시된 바와 같이 기체 분위기하에서, 상기 조작은 연속하여 실행된다.

질화와 산화를 합한 조작은 일반적으로 마모 및 부식에 대한 높은 저항성을 부여하지만, 본 발명이 관련되는 용도에 요구되는 것과 맞지 않는 정도로 부품의 표면 거칠기를 조직적으로 증가시킨다.

이 거칠기의 증가는 당업자가 상기 방법에 질화-산화-연마 또는 심지어 질화-산화-연마-산화와 같은 순서를 가져오는 하나 이상의 단계의 다소 광범위한 연마를 가하도록 한다. 이 종류의 방법들은 윤활기능을 효율적으로 수행하지만, 그들이 그들을 매우 비싸고 제한된 이용이 되게 하는 상이한 기술들의 조합(열화학적 및 기계적)을 요하기 때문에 산업상 이용하기가 곤란하고; 연마에 의해서 복잡한 형태의 부품의 거칠기를 조절하는 것이 곤란하다.

놀랍게도, 본 출원인은 특정 욕에서 질화 및 산화를 실행함으로써 높은 내마모성 및 내식성 그리고 윤활하기에 좋은 거칠기를 얻는 것이 가능하다는 것을 제시하였다.

상기 명시된 목적은 기계 부품에 마모 및 부식에 대한 높은 저항성 그리고 윤활하기에 좋은 거칠기를 부여하는, 상기 부품의 질화에 연속해서 상기 부품의 산화가 이어지는 기계 부품의 표면 처리 방법으로서, 상기 질화는 대략 500℃ 내지 대략 700℃의 온도에서 황 함유 종이 없는 용융 염 질화욕에 상기 부품을 침지함으로써 실시하는 것과, 상기 산화는 대략 200℃ 미만의 온도에서 산화 수용액에서 실시하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 의해서 충족된다.

본 발명에 따르기 위하여, 방법은 또한 질화 및 산화의 연속 조합에 따라야 하는데, 두 조작은 상기 명시한 조건하에 액상에서 실시된다.

그러나, 그것은 구체적인 질화 공정 및 구체적인 산화 공정의 연속 조합의 문제는 아니고, 본 발명에 의한 방법에서 그들 간에 매우 높은 수준의 상호작용이 있기 때문에 오히려 질화 및 산화 공정의 불가분의 조합의 문제이다.

본 방법의 두 단계, 즉 질화 단계 및 산화 단계는 이하의 조건에 따라야 한다:

(1) 제 1 단계(질화 조작)는 황 함유 종이 없는 용융욕에서 실시되어야 한다.

욕의 온도는 대략 500℃ 내지 대략 700℃, 예컨대 대략 590℃ 내지 대략 650℃이다.

유리하게는, 욕이 탄산알칼리 및 시안산알칼리를 포함하고, 이하의 조성을 가진다:

Li⁺= 0.2 - 10 중량%

Na⁺= 10 - 30 중량%

K⁺= 10 - 30 중량%

CO₃ ^2-= 25 - 45 중량%

CNO^-= 10 - 40 중량%

CN^-＜ 0.5 중량%

예를 들어, 용융 염 질화욕은 0.5중량% 이하의 양의 CN^-이온과 함께 다음의 이온을 함유한다:

Li⁺= 2.8 - 4.2 중량%

Na⁺= 16.0 - 19.0 중량%

K⁺= 20.0 - 23.0 중량%

CO₃ ^2-= 38.0 - 43.0 중량%

CNO^-= 12.0 - 17.0 중량%

압축 공기에 의한 교반이 유리하게 제공된다.

유리하게는, 부품의 침지의 시간은 적어도 대략 10 분이고; 요구되는 것에 따라 수 시간까지 연장된다. 부품의 침지 시간은 통상 약 30 분 내지 약 60 분이다.

(2) 질화 후, 제 2 단계(산화 조작)는 대략 200℃ 미만의 온도에서 실시되어야 한다. 바람직하게는, 산화욕의 온도는 대략 110℃ 내지 대략 160℃이다. 더욱 바람직하게는, 산화욕의 온도는 대략 125℃ 내지 대략 135℃이다.

유리하게는, 욕의 조성은 다음과 같다:

OH^-= 10.0 - 22 중량%

NO₃ ^-= 1.8 - 11.8 중량%

NO₂ ^-= 0 - 5.3 중량%

S₂O₃ ^2-= 0.1 - 1.9 중량%

Cl^-= 0 - 1.0 중량%

Na⁺= 1.0 - 38 중량%

예를 들어, 산화 수용액은 다음의 이온을 함유한다:

OH^-= 17 - 18.5 중량%

NO₃ ^-= 4.0 - 5.5 중량%

NO₂ ^-= 1.0 - 2.5 중량%

Cl^-= 0.25 - 0.35 중량%

Na⁺= 25 - 29 중량%

예를 들어, 산화 수용액은 0.6 내지 1.0 중량%의 티오황산 이온 S₂O₃ ^2-을 더 함유한다.

유리하게는, 산화욕에서 부품의 침지 시간은 대략 5 분 내지 대략 45 분이다.

본 발명에 따른 질화 및 그 후의 산화의 후에, 그 뒤에 처리된 부품이 종래 기술에서와 같이 효과적으로 함침 작용을 받을 수 있다는 것은 주목할 만하다. 최종 거칠기가 훨씬 저하될지라도, 함침 생성물 대한 층의 친화력은 아무튼 높다.이 놀라운 사실은 아직까지는 과학적으로 설명되지 못하였다.

또한, 본 발명은 표면 변형을 유발하는 상기 방법에 의해서 처리되는 부품을 제공한다. 본 발명에 의한 부품은 그것의 거칠기 R_a가 대략 0.5㎛ 미만의 값을 갖는다는 것과, 그것의 표면이 "평활면(tables)"이 없는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다음의 비-제한적 실시예에 의해서 더욱 상세하게 다음에서 설명된다.

(실시예 1)

둘다 0.35% 탄소를 함유하고 초기 거칠기 R_max= 0.6 ㎛를 가지는 비 합금 강의 30 × 18 × 8 mm의 치수를 가진 평행육면체형 샘플과, 35 mm 직경 링을 먼저 19 중량%의 시안산 이온, 37 중량%의 탄산 이온 및 3.5 중량%의 리튬 이온을 함유하고, 나머지는 나트륨 및 칼륨 이온으로 구성되는 질화 염욕(N1)에서 처리하였다. 부품을 40분 동안 630℃에서 침지시켰다.

욕에서 꺼낼때, 부품들을 물탱크에서 냉각시키고, 그 다음 세척하여 물 75리터당 85 kg의 다음의 염 혼합물(표 1 참조)로 구성되는 135℃의 산화 염수(Ox1)에 15분 동안 침지시켰다.

그 다음 부품들을 80℃에서 물에서 세척하고, 그 후 40℃에서 가용성유계 용액에서 중화시키고, 건조하였다.

샘플들을 그들의 거칠기를 측정함으로써 그리고 마찰 시험에 의해서 특징지웠다.

상기와 같이 처리된 부품들의 측정된 거칠기는 표 2에 나타내었고, 그것을 표준 방법 N2, N3, Ox2 및 Ox3, FR 2 171 993 또는 US 3,912,547 에 따른 질화에 해당하는 N2, (TF1)에 따른 질화에 해당하는 N3, FR 2 708 941 또는 US 5,576,066에 의한 산화에 해당하는 Ox2 및 FR 2 306 268 또는 US 4,055,446 에 의한 산화에 해당하는 Ox3로 얻은 것들과 비교하였다. 표면 상태를 한정하기 위해 사용되는 거칠기 패턴의 형태 매개변수는 R_a(길이 산술 평균) 및 R (깊이 산술 평균)으로 표시된다.

본 발명에 의한 방법이 종래의 방법과 이어서 연마한 것과 동등한 거칠기를 얻는다는 것을 주목하라.

마찰 시험을 위하여, 고리를 5 daN의 초기 값으로 부터 규칙적으로 증가되는 하중으로 그리고 0.55 m/s의 일정한 미끄럼 속도로 플레이트의 큰 면에 대항하여 압축하였다. 플레이트의 연마 표면을 시험전에 기름칠하였다. 결과는 표 3에 나타내었다.

(실시예 2)

0.45% 탄소, 9% 크롬 및 3% 규소를 함유하는 고 합금 강의 실린더를 실시예 1의 그것과 정확히 동일한 조성을 가지는 질화욕에서 처리하였다.

부품을 590℃의 온도에서 유지된 욕에 30분 동안 침지시키고, 그 다음 냉수로 퀀칭시켰다. 이들을 세척한 후, 이들을 실시예 1에 설명된 염수에서 130℃에서 10분 동안 산화시키고, 그 다음 뜨거운 물로 다시 세척하였다.

이 유형의 강으로, 표준 침탄질화 + 산화 또는 술포침탄질화 + 산화 공정으로 얻은 거칠기는 얻어진 표면층의 불량한 품질(많은 다공질층 및 빈약한 접착성 산화물 분말) 때문에 비교적 높았다. 예를 들어, R_z의 값은 보통 10 ㎛와 비슷하고, 연마 조작 또는 심지어 마이크로숏트블라스팅을 실시하여 2 ㎛ 근처로 거칠기 R_z를 감소시키는 것이 종종 필요하다.

이 실시예에 대하여 명시된 조건하에 처리되는 샘플들은 어떤 연마 또는 마이크로숏트블라스팅을 요함이 없이 2 내지 2.5 ㎛의 거칠기 R_z를 가졌다.

주:1998년 보정된 1997년의 프랑스 표준 NF ISO 4287에 따라서 R_z는 평균 거칠기 깊이이다.

(실시예 3)

시험을 실시하여 본 발명에 의한 방법이 불가분의 조합을 구성하는 정도를 나타내었다. 0.35 중량% 탄소를 함유하는 비 합금 강의 원통형 샘플을 실시예 1 및 2 에서 인용한 것을 포함하여, 통상의 산화법과 다양한 질화법을 조합시킴으로써처리하였다.

질화 단계는 37 중량%의 시안산 이온 및 17 중량%의 탄산 이온으로 구성되고, 나머지는 알칼리성 K⁺, Na⁺및 Li⁺양이온이며, 추가로 10 내지 15 ppm의 S^2-이온을 갖는 염욕에서 570℃에서 FR 2 177 993 또는 US 3,912,547에 따라서, 또는 실시예 1에서의 그것들과 동일한 조건하에서 실시하였다.

산화 단계는 13.1 중량%의 탄산 이온, 36.5 중량%의 질산 이온, 11.3 중량%의 수산화 이온 및 0.1 중량%의 중크롬산 이온을 기제로 하고, 알칼리 K⁺, Na⁺및 Li⁺양이온인 염욕에서, 475℃에서 FR 9309814에 따라서, 또는 실시예 1 및 2에서 설명한 조건하에서 실시하였다.

얻어진 거칠기 결과는 아래의 표 4에 나타내었고; 모든 샘플의 초기 거칠기 R_a는 0.3 ㎛ 이었다.

본 발명의 표면 처리 방법은 마모 및 부식하기 쉬운 기계 부품에 높은 내마모성 및 내식성 그리고 윤활하기에 좋은 거칠기를 부여한다.

Claims (16)

1. 기계 부품에 마모 및 부식에 대한 높은 저항성 그리고 윤활하기에 좋은 거칠기를 부여하는, 상기 부품의 질화에 연속해서 상기 부품의 산화가 이어지는 기계 부품의 표면 처리 방법으로서, 상기 질화는 대략 500℃ 내지 대략 700℃의 온도에서 황 함유 종이 없는 용융 염 질화욕에 상기 부품을 침지함으로써 실시하고, 상기 산화는 대략 200℃ 미만의 온도에서 산화 수용액에서 실시하며, 상기 용융 염 질화욕이 0.5중량% 이하의 양의 CN^-이온과 함께 다음의 이온을 함유하는 것을 특징으로 하는 기계 부품의 표면 처리 방법.

   Li⁺= 2.8 - 4.2 중량%

   Na⁺= 16.0 - 19.0 중량%

   K⁺= 20.0 - 23.0 중량%

   CO₃ ^2-= 38.0 - 43.0 중량%

   CNO^-= 12.0 - 17.0 중량%
2. 제 1 항에 있어서, 기계 부품을 최소한 대략 10 분 동안 질화욕에 침지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 기계 부품을 대략 30 분 내지 대략 60 분 동안 질화욕에 침지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 질화욕을 압축 공기와 함께교반시키는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 산화 수용액이 다음의 이온을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.

   OH^-= 10.0 - 22.0 중량%

   NO₃ ^-= 1.8 - 11.8 중량%

   NO₂ ^-= 0 - 5.3 중량%

   Cl^-= 0 - 1.0 중량%

   Na⁺= 1.0 - 38 중량%
6. 제 5 항에 있어서, 산화 수용액이 다음의 이온을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.

   OH^-= 17 - 18.5 중량%

   NO₃^-= 4.0 - 5.5 중량%

   NO₂ ^-= 1.0 - 2.5 중량%

   Cl^-= 0.25 - 0.35 중량%

   Na⁺= 25 - 29 중량%
7. 제 5 항에 있어서, 산화 수용액은 0.1 내지 1.9 중량%의 티오황산 이온 S₂O₃ ^2-을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 산화 수용액은 0.6 내지 1.0 중량%의 티오황산 이온 S₂O₃ ^2-을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 질화를 대략 590℃ 내지 대략 650℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 5 항에 있어서, 질화를 대략 590℃ 내지 대략 650℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 산화를 대략 110℃ 내지 대략 160℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 5 항에 있어서, 산화를 대략 110℃ 내지 대략 160℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 산화를 대략 125℃ 내지 대략 135℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 5 항에 있어서, 부품을 산화욕에 대략 5 분 내지 대략 45 분 동안 침지시키는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 거칠기 R_a가 대략 0.5㎛ 미만의 값을 가지고, 표면이 "평활면(tables)"이 없는 것을 특징으로 하는, 표면 변형을 유발한 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 방법에 의해서 처리된 부품.
16. 거칠기 R_a가 대략 0.5㎛ 미만의 값을 가지고, 표면이 "평활면(tables)"이 없는 것을 특징으로 하는, 표면 변형을 유발한 제 5 항의 방법에 의해서 처리된 부품.